JP5140301B2 - Phase difference detector and phase difference detection method - Google Patents
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Description
本発明は、光学的な干渉を利用して距離や変位量を測定する干渉距離測定のための位相差検出器および位相差検出方法に関する。 The present invention relates to a phase difference detector and a phase difference detection method for measuring an interference distance in which a distance and a displacement amount are measured using optical interference.
距離または変位量を測定するために、レーザ干渉計が広く使用されている。このような干渉計として、コヒーレント光線を偏光光線スプリッタに射出して、偏光光線スプリッタにより2つの直交偏光光線を生成する偏光干渉計がある。この2つの直交偏光光線のうち、一方の偏光光線は干渉計の固定長さを有する参照光路に沿って射出され、他方の偏光光線は距離測定対象物光路、つまり、測定物光路に沿って射出される。この2つの偏光光線は、それぞれ1/4波長板を通過し、参照面および対象物面により反射される。反射された偏光光線は、1/4波長板を通過して戻され、同じ偏光光線スプリッタで再結合されて、2つの直交偏光要素を有する出力光線が形成される。所望の距離または変位量の測定情報は、この出力光線の直交偏光要素の位相差により示される。 Laser interferometers are widely used to measure distance or displacement. As such an interferometer, there is a polarization interferometer that emits a coherent light beam to a polarization beam splitter and generates two orthogonal polarization beams by the polarization beam splitter. Of these two orthogonally polarized light beams, one polarized light beam is emitted along a reference optical path having a fixed length of the interferometer, and the other polarized light beam is emitted along a distance measuring object optical path, that is, a measured object optical path. Is done. Each of the two polarized light beams passes through the quarter-wave plate and is reflected by the reference surface and the object surface. The reflected polarized light is returned back through the quarter wave plate and recombined with the same polarizing light splitter to form an output light having two orthogonal polarization elements. Measurement information of the desired distance or displacement is indicated by the phase difference of the orthogonal polarization elements of this output beam.
この位相差は、既知の様々な方法により測定することができる。一例として、直角位相測定装置を使用する方法がある。直角位相測定装置は様々なものが知られている(例えば特許文献1)。 This phase difference can be measured by various known methods. As an example, there is a method using a quadrature measuring device. Various quadrature measuring devices are known (for example, Patent Document 1).
直角位相測定装置は一般的に、複数の光路、光線スプリッタ、波長板、偏光板および複数の検出手段を備える。上述の要素間の差と複数の光路の配置により、直角位相信号の位相差、振幅誤差、環境感度、経時変化等が影響を受ける。これらの差に関連する誤差はかなり小さいため、従来は看過されるか無視されることが多かった。しかし、位相測定結果は、直交位相誤差の影響の影響を受け、その精度が制限されることがある。このため、より高精度な光学干渉距離測定を実現するためには、前述した位相測定をより高精度に行うことが求められる。
本発明の主な目的には、上述した問題などを解消する装置を提供することである。
The quadrature measurement apparatus generally includes a plurality of optical paths, a beam splitter, a wave plate, a polarizing plate, and a plurality of detection means. The phase difference of the quadrature signal, the amplitude error, the environmental sensitivity, the change with time, and the like are affected by the difference between the above-described elements and the arrangement of the plurality of optical paths. The errors associated with these differences are quite small and have often been overlooked or ignored in the past. However, the phase measurement result is affected by the quadrature phase error, and its accuracy may be limited. For this reason, in order to realize more accurate optical interference distance measurement, it is required to perform the above-described phase measurement with higher accuracy.
The main object of the present invention is to provide an apparatus for solving the above-mentioned problems.
前述したように、対象物光線出力と参照光線出力との位相差にのみ関連する単数または複数の測定信号を発生させる際、偏光干渉計が位相差検出手段(以下、単に検出手段ともいう)の機能の影響を受け、その解像度および/または精度が制限されることがよくある。
本発明は、新規な構成を備え、位相差測定の精度を高める偏光干渉位相差検出手段に関する。尚、位相差測定装置は既に成熟技術となっているため、たとえ、小さな改良であったとしても、広く利用されている高精度測定技術の精度および/または信頼性を向上させる上で、意義を有するものである。
最終的に、位相差測定は、干渉計で用いられる放射線の基本波長と比べて、より高い測定解像度および/または精度を提供するために用いられる。したがって、検出手段の測定解像度の有用度は、「補間レベル」と呼ばれることがある。波長の約1/100の補間レベルは一般的であるといえる。本発明に係る検出手段は、このレベルをはるかに超えた、波長の約1/1000の補間を提供し、および/または、信頼性を高めるとともに経年劣化および環境変数からの影響を低減させる。
As described above, when generating one or a plurality of measurement signals related only to the phase difference between the object beam output and the reference beam output, the polarization interferometer uses a phase difference detection unit (hereinafter also simply referred to as a detection unit). Often, the resolution and / or accuracy is limited by the influence of the function.
The present invention relates to a polarization interference phase difference detecting means having a novel configuration and improving the accuracy of phase difference measurement. In addition, since the phase difference measurement device has already become a mature technology, even if it is a small improvement, it has a significance in improving the accuracy and / or reliability of a widely used high-precision measurement technology. It is what you have.
Finally, phase difference measurements are used to provide higher measurement resolution and / or accuracy compared to the fundamental wavelength of radiation used in interferometers. Therefore, the usefulness of the measurement resolution of the detection means is sometimes called “interpolation level”. An interpolation level of about 1/100 of the wavelength is common. The detection means according to the invention provides an interpolation of about 1/1000 of the wavelength far beyond this level and / or increases reliability and reduces the effects of aging and environmental variables.
本発明では、出力光線の直交偏光する対象物および参照光線要素が、偏光感度を有する光線屈折素子に向けて射出され、この光線屈折素子により、これらの直交偏光光線の一方または両方が屈折され、これらの光線間に所定の発散角度が形成される。分離光線は合成偏光板に入射され、この合成偏光板から射出される光線は同様に偏光されて干渉する。干渉し合う分離光線は、その後、干渉縞を形成する。この干渉縞は平行縞であってもよい。検出手段の干渉縞の空間位相は、干渉計の物体光線と参照光線との間の位相をあらわす。 In the present invention, the orthogonally polarized object of the output beam and the reference beam element are emitted toward a beam refracting element having polarization sensitivity, and the beam refracting element refracts one or both of these orthogonally polarized beams, A predetermined divergence angle is formed between these rays. The separated light is incident on the synthetic polarizing plate, and the light emitted from the synthetic polarizing plate is similarly polarized and interferes. Interfering separated rays then form interference fringes. The interference fringes may be parallel fringes. The spatial phase of the interference fringes of the detection means represents the phase between the object beam of the interferometer and the reference beam.
本発明において、偏光感度を有する光線屈折素子は、例えば、ローションプリズム、ウォラストンプリズム、セナルモンプリズムなどの偏光感度を有するプリズムであってもよい。このようなプリズムは、上記偏光光線の一方または両方を、安定して屈折させてもよい。本発明の他の側面では、偏光感度を有するプリズムは、モノリシック素子であってもよい。 In the present invention, the light refracting element having polarization sensitivity may be a prism having polarization sensitivity, such as a lotion prism, a Wollaston prism, or a Senalmon prism. Such a prism may stably refract one or both of the polarized light beams. In another aspect of the present invention, the prism having polarization sensitivity may be a monolithic element.
本発明において、合成偏光板は、偏光感度を有する屈折素子の射出面付近に設けられ、介在する光路を減少または最小限化する剛面偏光板であってもよい。本発明の他の側面では、偏光板は、偏光感度を有する屈折素子の射出面に当接してもよい。 In the present invention, the synthetic polarizing plate may be a rigid polarizing plate that is provided in the vicinity of the exit surface of a refractive element having polarization sensitivity and reduces or minimizes the intervening optical path. In another aspect of the present invention, the polarizing plate may abut on the exit surface of the refractive element having polarization sensitivity.
本発明において、検出手段の干渉縞の空間位相は、縞パターンを空間的にフィルタリングし、(360/N)°ずつ意図的に位相シフトされた複数の信号を生成する受光素子アレイにより感知されてもよい。ここで、Nは3以上の整数である。様々な実施形態において、受光素子アレイは周期的であってもよく、各受光素子の中心間距離(ピッチ)は、受光素子アレイの表面における縞間隔の分数であってもよい。様々な実施形態において、受光素子アレイの表面の縞間隔は、受光素子アレイのピッチを整数で乗じたものであってもよい。 In the present invention, the spatial phase of the interference fringes of the detection means is sensed by a light receiving element array that spatially filters the fringe pattern and generates a plurality of signals that are intentionally phase shifted by (360 / N) °. Also good. Here, N is an integer of 3 or more. In various embodiments, the light receiving element array may be periodic, and the center-to-center distance (pitch) of each light receiving element may be a fraction of the fringe spacing on the surface of the light receiving element array. In various embodiments, the stripe interval on the surface of the light receiving element array may be obtained by multiplying the pitch of the light receiving element array by an integer.
本発明において、受光素子アレイの取付角度を調節して、受光素子アレイの表面の縞間隔(縞ピッチ)Pθが受光素子アレイピッチPdと所定の関係になるようにしてもよい。具体的には、前記受光素子アレイは、前記Nの受光素子が前記縞ピッチのM倍よりわずかに大きくなるように配設された、周期的受光素子アレイであり、前記受光素子は、受光素子ピッチPdで、前記受光素子アレイの面に沿って配設され、前記受光素子が配設される面は、前記参照光線要素および前記対象物光線要素の光路に略直交する面であり、前記発散角度θを二分割する直線を法線とする参照平面に対して、cosα=M*Pθ/N*Pdとなる角度αだけ傾斜される。 In the present invention, by adjusting the mounting angle of the light receiving element array, fringe spacing (stripe pitch) P theta surface of the light receiving element array may be a predetermined relationship with the light-receiving element array pitch Pd. Specifically, the light receiving element array is a periodic light receiving element array in which the N light receiving elements are arranged so as to be slightly larger than M times the fringe pitch. The light receiving element array is disposed at a pitch Pd along the surface of the light receiving element array, and the surface on which the light receiving element is disposed is a surface substantially orthogonal to the optical path of the reference light beam element and the object light beam element. It is inclined by an angle α such that cos α = M * P θ / N * Pd with respect to a reference plane whose normal is a straight line that bisects the angle θ.
本発明において、受光素子アレイを偏光板の射出面付近に設けて、介在する光路を減少または最小限化させてもよい。本発明の他の側面では、受光素子アレイは、偏光板の表面に付着されてもよい。 In the present invention, the light receiving element array may be provided in the vicinity of the exit surface of the polarizing plate to reduce or minimize the intervening optical path. In another aspect of the present invention, the light receiving element array may be attached to the surface of the polarizing plate.
本発明において、受光素子アレイは縞パターンを空間的にフィルタリングし、3相出力信号を発生させて、この3相出力信号が干渉縞の空間位相を決定する際に信号処理されて誤差を除去するようにしてもよい。 In the present invention, the light receiving element array spatially filters the fringe pattern to generate a three-phase output signal, and this three-phase output signal is subjected to signal processing when determining the spatial phase of the interference fringes to remove errors. You may do it.
本発明において、受光素子アレイは縞パターンを空間的にフィルタリングし、直角位相出力信号を発生させて、この直角位相出力信号が干渉縞の空間位相を決定する際に信号処理されて誤差を除去するようにしてもよい。 In the present invention, the light receiving element array spatially filters the fringe pattern to generate a quadrature output signal, and this quadrature output signal is signal-processed to determine the spatial phase of the interference fringes to remove errors. You may do it.
本発明において、偏光感度を有する光線屈折素子、合成偏光板および受光素子アレイが一緒に設けられるよう、コンパクトかつモノリシックな検出手段を構成してもよい。 In the present invention, a compact and monolithic detection means may be configured so that a light beam refracting element having polarization sensitivity, a synthetic polarizing plate, and a light receiving element array are provided together.
本発明において、偏光感度を有する光線屈折素子、合成偏光板および受光素子アレイを一緒に設けられるよう、検出手段を通過し互いに干渉する参照光線および対象物光線の両方の光路となる単一光路のみを提供し、かつ、検出手段の信号を生成する受光素子のすべてが当該単一光路に配置される検出手段を構成してもよい。 In the present invention, only a single optical path that is an optical path of both the reference light beam and the object light beam that passes through the detection means and interferes with each other so that a light beam refracting element having polarization sensitivity, a synthetic polarizing plate, and a light receiving element array can be provided together In addition, all of the light receiving elements that generate the signal of the detection means may be arranged in the single optical path.
本発明において、干渉距離・干渉変位感知装置を次のように動作させてもよい。まず、光源により、直交偏光する第1および第2光線が射出される。第1光線は干渉計の参照光路に沿って入射され、第2光線は干渉計の対象物光路に沿って入射される。参照光路から射出される第1光線と対象物光路から射出される第2光線とは、略平行した直交偏光であり、重畳して合成出力信号を形成する。合成出力光線は、偏光感度を有する光線屈折素子に入射され、この光線屈折素子は、偏光感度を有する第1および第2軸を備える。この第1および第2軸は、合成出力光線の第1および第2光線の偏光方向に対しそれぞれ平行となるよう配列される。第1および第2光線は、互いの間の発散角度を略所定の名目発散角度として、かつ、これらの光線が部分的に重畳するように、偏光感度を有する光線屈折素子から射出される。部分的に重畳する第1および第2光線は、偏光板を通過する。この偏光板は第1および第2光線の偏光間角度を略分割する偏光角度を有する。第1および第2光線の通過した偏光要素により、略平行な縞の干渉縞パターンを形成する。この干渉縞パターンの縞ピッチは一定であり、この可変空間位相は、参照光路と対象物航路との間の可変光路長さの差により決定される。干渉縞パターンの空間位相は、受光素子アレイを用いて検出される。ここで、受光素子アレイは、縞パターンを空間的にフィルタリングして、(360/N)°ずつ意図的に位相シフトされた複数の信号を生成する(Nは3以上の整数)。 In the present invention, the interference distance / interference displacement sensing device may be operated as follows. First, first and second light beams that are orthogonally polarized are emitted from a light source. The first light beam is incident along the reference optical path of the interferometer, and the second light beam is incident along the object optical path of the interferometer. The first light beam emitted from the reference optical path and the second light beam emitted from the object optical path are substantially parallel orthogonal polarizations, and are superimposed to form a combined output signal. The combined output light is incident on a light refracting element having polarization sensitivity, and the light refracting element includes first and second axes having polarization sensitivity. The first and second axes are arranged to be parallel to the polarization directions of the first and second light beams of the combined output light beam, respectively. The first and second light beams are emitted from a light refracting element having polarization sensitivity so that the divergence angle between them is a substantially predetermined nominal divergence angle and these light beams partially overlap. The first and second light beams that partially overlap pass through the polarizing plate. This polarizing plate has a polarization angle that substantially divides the angle between the polarizations of the first and second rays. An interference fringe pattern of substantially parallel fringes is formed by the polarization elements through which the first and second light beams have passed. The fringe pitch of the interference fringe pattern is constant, and the variable spatial phase is determined by the difference in the variable optical path length between the reference optical path and the object route. The spatial phase of the interference fringe pattern is detected using a light receiving element array. Here, the light receiving element array spatially filters the fringe pattern to generate a plurality of signals that are intentionally phase-shifted by (360 / N) ° (N is an integer of 3 or more).
本発明において、2波長のアプソリュート干渉計とともに使用される検出手段を設けてもよい。この場合は、同じ光路に沿って干渉計を通過する2つの別個の波長それぞれについて、位相が決定される。第1双波長実施形態では、光線スプリッタは偏光感度を有する光線屈折素子の後段に配置され、双波長検出手段の2つの別個の光路を提供する。縞パターンはこれら2の光路それぞれで形成される。波長を選択する光学フィルタを用いて、各干渉縞パターンでの異なる波長同士を分離させる。各縞パターンの空間位相は、各受光素子アレイにより検出される。受光素子アレイのそれぞれは、上述した原理にしたがって構成されており、各フィルタを通過する波長の縞パターンと一致するようになっている。 In the present invention, detection means used with a two-wavelength absolute interferometer may be provided. In this case, the phase is determined for each of the two distinct wavelengths that pass through the interferometer along the same optical path. In the first dual-wavelength embodiment, the beam splitter is placed after the light-refracting element with polarization sensitivity and provides two separate optical paths for the dual-wavelength detection means. A stripe pattern is formed by each of these two optical paths. Different wavelengths in each interference fringe pattern are separated using an optical filter for selecting wavelengths. The spatial phase of each fringe pattern is detected by each light receiving element array. Each of the light receiving element arrays is configured according to the above-described principle, and matches the fringe pattern of the wavelength that passes through each filter.
本発明において、合成偏光板を光路に沿って非偏光光線スプリッタの前段に配置してもよく、また、2つの合成偏光板を光路に沿って非偏光光線スプリッタの後段かつ受光素子アレイの前段に配置してもよい。簡易さおよび光学信号強度の点で有用である他の実施形態では、偏光光線スプリッタを合成偏光板として使用してもよく、この場合は、双波長検出手段に他の偏光板を設ける必要はない。 In the present invention, the synthetic polarizing plate may be arranged before the non-polarizing light beam splitter along the optical path, and the two synthetic polarizing plates are arranged after the non-polarizing light beam splitter along the optical path and before the light receiving element array. You may arrange. In other embodiments that are useful in terms of simplicity and optical signal strength, a polarizing beam splitter may be used as a synthetic polarizer, in which case there is no need to provide another polarizer in the dual wavelength detection means. .
本発明において、双波長を用いる場合でも、光線スプリッタは必須ではない。この場合、検出手段は、前述した単波長構成と同じように構成される。しかし、光線の直径および/または受光素子寸法が、合成偏光板から射出される単一の干渉パターン内に2つの別個の受光素子アレイが配置されるよう、構成される点で異なる。波長を選択するフィルタは、各受光素子アレイの前段に配置される。各受光素子アレイは、前述した原理に従って構成されており、各フィルタを通過する波長の縞パターンと一致し、その空間位相を検出するようになっている。 In the present invention, a beam splitter is not essential even when dual wavelengths are used. In this case, the detection means is configured in the same manner as the single wavelength configuration described above. However, the diameter of the light beam and / or the size of the light receiving element is different in that it is configured such that two separate light receiving element arrays are arranged in a single interference pattern emitted from the synthetic polarizer. A filter for selecting a wavelength is arranged in front of each light receiving element array. Each light receiving element array is configured according to the principle described above, and matches the fringe pattern of the wavelength passing through each filter, and detects its spatial phase.
以下、図面を参照して本発明の一実施形態を説明する。 Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
図1Aにおいて、本実施形態の干渉距離測定装置50は、干渉計部60および検出手段100を備える。
In FIG. 1A, the interference
干渉計部60では、レーザ源(図示せず)を用いて、コヒーレント光線65を発生させる。コヒーレント光線65は、1/2波長板70を通過し、その後、偏光光線スプリッタ75に入射する。偏光光線スプリッタ75は、コヒーレント光線65の一部、つまり、P偏光を通過させて参照光線86を形成し、コヒーレント光線65の一部、つまり、S偏光を反射して対象物光線76を形成する。参照光線86は、1/4波長板87を通過し、固定参照ミラー88に到達し、参照ミラー88により、1/4波長板87を介して偏光光線スプリッタ75まで反射される。
ここで、偏光方向は、偏光光線スプリッタ75を最初に通過したときの偏光方向から90°回転した状態である。このように、偏光光線スプリッタ75によって反射されて出力参照光線89となり、この出力参照光線89が合成干渉測定光線である合成光線90の直交偏光要素の一方となる。
The
Here, the polarization direction is a state rotated by 90 ° from the polarization direction when first passing through the
同様に、対象物光線76は、1/4波長板77を通過し、可動の対象物表面78により反射されて、1/4波長板77を通過して、偏光光線スプリッタ75に戻される。ここで、偏光方向は、偏光光線スプリッタ75により最初に反射されたときの偏光方向から90°回転した状態である。こうして出力対象物光線79となり、この出力対象物光線79が合成光線90の直交偏光要素の他方となる。
Similarly, the
検出手段100は、偏光感度を有する光線屈折素子(PSBDE)110、合成偏光板130、受光素子回路150を備える。
詳細は後述するが、入射断面寸法113を有する合成光線90は、合成光線90の直交偏光要素を発散角度θで分割するように配向されたPSBDE110に入力される。
本実施形態では、PSBDE110は、非屈折光線120と、角度127で屈折された屈折光線125とを通過させるローションプリズムである。このPSBDE110は、第1軸を持つ第1結晶プリズムと第2軸を持つ第2結晶プリズムとを備え、第1軸と第2軸とが互いに直交するよう構成されてもよい。この例では、発散角度θは屈折角度127と同じである。PSBDEの代わりに、PSBDEと同様の機能を有するセナルモンプリズムを適切に設計配向してもよい。他の例では、PSBDEを、両方の光線をそれぞれの屈折角度で屈折させる、いわゆる双屈折タイプとしてもよく、発散角度θをこの2つの屈折角度の合計としてもよい。双屈折タイプのPSBDEは、ウォラストンプリズム、または適切な構造を有する双誘電体格子で構成されてもよく、これには、記事『Wollaston prism-like devices based on blazed dielectric subwavelength gratings(ブレーズド誘電体サブ波長格子に基づくウォラストンプリズム装置)』(Haidarその他 Optics Express Vol. 13 No. 25 2005年12月)に記載のものが利用できる。
The detection means 100 includes a light refraction element (PSBDE) 110 having a polarization sensitivity, a synthetic
As will be described in detail later, the combined
In the present embodiment, the
分離された直交偏光光線は、その後、直交偏光光線120および125の偏光角度の略半分の偏光角度となるように配向された合成偏光板130を通過する。合成偏光板130を通過した分離光線120および125の要素は、同様に偏光され、その結果、略平行な縞の干渉パターンを形成する。検出手段の干渉縞の空間位相は、干渉計の対象物光線と参照光線との間の位相差をあらわす。干渉縞パターンは、受光素子回路150の受光素子アレイ155上に形成される。受光素子アレイ155は、例えば周期的な受信素子を有する周期的受光素子アレイとすることができ、この受光素子アレイ155が生成した信号を解析することにより検出手段の干渉縞の空間位相が決定される。これについては、詳細を後述する。一般的に、このような信号を生成するのであれば、現在知られている、または、今後開発される構成の受光素子を使用してもよい。
The separated orthogonally polarized light beams then pass through a synthetic
干渉縞パターンは、PSBDE110からの射出面において寸法115を有してもよい。この寸法は、光線120および125が重畳する領域の寸法をあらわす。尚、この重複領域は、光が伝播し分離するのに従い小さくなり、受光素子アレイ155では寸法117を有することになる。この寸法117が受光素子アレイ155の寸法157より大きくなるように検出手段を設計することは有益である。この場合は、干渉縞パターンにより受光素子アレイ155全体が覆われ、最も適した最大信号を生成することができる。様々な実施形態において、検出手段100を小型化して設計組立し、受光素子アレイ155を、PSBDE110の射出面付近に配置された合成偏光板130の付近に設けてもよい。これらの素子は、互いに結合させて安定した一体のアセンブリとしてもよい。また、これらの素子を互いに当接するように組み立ててもよい。
The interference fringe pattern may have a
図1Bは、図1Aの検出手段100と同様もしくは同一の検出手段100’を示す図である。尚、図示されている要素135、145、155の縮尺は、説明を明確にするためにかなり強調されたものとなっている。
図1Bに、干渉分離光線120および125の波面セット135を示す。破線136aおよび136bは、干渉縞パターンにおける同強度の平行面を示す。これらの面は図面の紙面の内外方向に延びる面である。干渉縞強度信号145は、空間的周期140を有する正弦波または近正弦波の強度分布を模式的に示す。参照平面REFは、紙面の内外方向に延びる。面REFは、平行面136aおよび面136bに直交し、干渉光線120と125との間の角度θを分割する直線の法線となる。受光素子アレイ155は後述するように、紙面の内外に延びる検出面を形成し、面REFに対して角度αとなるよう配置されている。対象物光線120および参照光線125のそれぞれの強度が一致しているとき、干渉縞パターンは次の1つの振幅で生成される。
FIG. 1B is a diagram showing a detection means 100 ′ that is the same as or the same as the detection means 100 of FIG. 1A. It should be noted that the scales of the
FIG. 1B shows a
ここで、λは光の波長であり、lsは干渉計の対象物アームの光路長であり、lRは干渉計の参照アームの光路長であり、xは平行面136aおよび136b(つまり、面REFに平行な面)に直交する方向に沿った位置であり、x0は空間オフセットであり、φ0は干渉計を通過する各光路に沿ったすべての光学要素の積算位相差オフセットであり、ローション偏光板内の正常光線と異常光線の位相速度を含んでいる。
Where λ is the wavelength of light, l s is the optical path length of the object arm of the interferometer, l R is the optical path length of the reference arm of the interferometer, and x is the
干渉縞パターンのピッチつまり空間的周期Pθは、発散角度θおよび光の波長λと、以下の式に表すような関連性を有する。 The pitch of the interference fringe pattern, that is, the spatial period Pθ has a relationship as expressed by the following formula with the divergence angle θ and the light wavelength λ.
ローション水晶偏光板を、波長が780nmのときθ = 1.159° となるように設計してもよく、これにより、縞ピッチは、Pθ = 38.6ミクロンとなる。さらに、一般的に、発散角度を0.5〜4.5°の範囲から選択すると、実用される種々の受光素子アレイとの組み合わせにおいて適している。 The lotion quartz polarizer may be designed such that θ = 1.159 ° when the wavelength is 780 nm, so that the fringe pitch is P θ = 38.6 microns. Furthermore, generally, when the divergence angle is selected from the range of 0.5 to 4.5 °, it is suitable for combinations with various light receiving element arrays that are practically used.
受光素子アレイ155は、M*縞ピッチに対応する、Nの「空間位相信号」(Nは0より大きい整数)を生成するよう構成してもよい。一般に、Mが0より大きい整数であるとき、Nの受光素子群は範囲M*Pθ(詳細は後述するが、若干これより大きくてもよい)に対し定間隔で分布して、上述の信号セットを生成してもよい。各受光素子のそれぞれの中心間の距離は、受光素子アレイピッチPdとしてもよい。様々な実施形態において、測定方向に順次進行するにつれ、Nの受光素子は、(M*360/N)°の増加量で意図的に位相シフトさせたNの位相シフト信号を生成してもよい。実際の測定としては、実際の製造および組立における許容差や発散角度の許容差などを許容するため、N * PdがM*Pθよりわずかに大きくなるよう受光素子アレイ155を製造してもよい。そして、組立または較正において、受光素子アレイ155を、次の式になるように、面REFに対して角度αだけ意図的に傾斜させてもよい。
The light
図2は、受光素子アレイ255の一例を有する受光素子回路250の一例を示す等角図である。受光素子アレイ255に示される受光素子の数は、図示を簡略化するため少なくしている。一般に、多数の受光素子を設けると、信号強度を高め、誤差を平均化できる点で有益である。例えば、Qが3以上の整数、好ましくは6以上の整数であるとき、Q*M*N個の受光素子を設けることが望ましい。
FIG. 2 is an isometric view showing an example of a light
干渉強度プロフィール245を示す。ピッチP'θは、受光素子アレイ255の検出面257上に見られる縞ピッチである。図1Bおよび式3での記載と一致するには、P'θ=(Pθ/cosα)、かつx'=(x/cosα)となる。この例では、受光素子回路250は、縞ピッチを1(M=1)、増加量をM*360/N°=90°として、位相シフト信号が4(N=4)となるように設定してよい。個々の受光素子は、受光素子アレイピッチPdで構成される。この例では、P'θ=4Pdであり、個々の受光素子は4Pd離れた位置にある受光素子と電気接続(または、他の方法で接続)され、それぞれ4つの受光素子セットであるA(0°)、D(270°)、C(180°)、B(90°)を形成する。検出手段の構成の他の例については後述する。
An
縞強度プロフィール245は、検出手段測定軸X’に沿った位置の一例に配置されている。対象物光路の長さが任意量Δlsで変化すると、干渉光線120および125の間の位相差が360°(2Δls/λ)で変化する。したがって、縞強度プロフィール245は、縞に追従して、測定軸X’に沿って移動し、固定された検出手段アレイ255上の任意の点に対し、360°(2Δls/λ)で空間位相を変化させる。4つの受光素子セットのそれぞれは、縞強度プロフィール245を空間的にフィルタリングする。このように、それぞれの受光素子セットは、光学信号を受信し、この光学信号は、検出面257上の干渉縞パターンの空間位相変化関数として周期的に変化する信号である。
The
図2に示す4相受光素子回路250は、直角位相信号を生成する既知の受光素子回路である。
受光素子セットA〜Dは、縞強度プロフィール245の空間位相にしたがって正弦的に変化する光学信号を受信する。受光素子セットA〜Dのそれぞれは、当該光学信号に比例する電気信号を出力する。すなわち、信号A(0°=「参照」位相)は増幅器226aに、信号B(90°位相シフト)は増幅器228aに、信号C(180°位相シフト)は増幅器226bに、信号D(270°相対位相シフト)は増幅器228bに送信される。増幅器226aおよび226bからの信号AおよびCは、差動増幅器231を介して合成され、その結果、信号1(Sig.1)が生成される。増幅器228aおよび228bからの信号BおよびDは、差動増幅器232を介して合成され、その結果、信号2(Sig.2)が生成される。差分信号(A〜C)および(B〜D)は、光学信号および電気信号A〜Dにあらわれる、共通モード「DCオフセット」誤差を減少または除去する。信号1(Sig.1)および信号2(Sig.2)はほぼ正弦の信号であり、90°の位相で出力される(つまり、信号1および2は直角位相信号である)。
A four-phase light receiving
The light receiving element sets A to D receive optical signals that change sinusoidally according to the spatial phase of the
図3は、出力信号1および2(Sig.1およびSig.2)の一般的特徴であって、つまり、干渉計における変位および/またはそれに伴う干渉光線120および125の位相差の変化および/または縞強度プロフィール245の空間位相の変化関数としての特徴を示す。
このように直角位相信号を処理して変位量を決定することは、当業者の間で一般的に用いられる手法であり、ここでは詳述の必要はないと思われるが、直交位相信号値Sig.1およびSig.2を参照して簡単に説明する。
FIG. 3 shows the general characteristics of the
Processing the quadrature signal in this way to determine the amount of displacement is a technique commonly used by those skilled in the art, and although it may not be necessary to elaborate here, the quadrature signal value Sig. . 1 and Sig. This will be briefly described with reference to FIG.
Sig.1およびSig.2は、正弦信号および余弦信号である。したがって、縞強度プロフィール245の空間位相は、180°の曖昧性を有する逆正接関数(Sig.1/Sig.2)で表される。この曖昧性は、信号の符号を検証することで除去してもよい。または、Sig.1およびSig.2は、次の2πを法とする第2引数の逆正接関数を用いて処理してもよい。
Sig. 1 and Sig.
式4の第2引数「atan2」関数は、一般に入手可能な多数のプログラムにおいて利用され記述されている。この関数の結果は、Sig./Sig.2のラジアンの逆正弦である。しかし、第2引数の使用により、角度の象限を決定することができ、その結果は、−pi/2と+pi/2の間ではなく、−piと+piとの間になる。 The second argument “atan2” function of Equation 4 is used and described in many commonly available programs. The result of this function is Sig. / Sig. The inverse sine of 2 radians. However, by using the second argument, the quadrant of the angle can be determined and the result is between -pi and + pi, not between -pi / 2 and + pi / 2.
上述したように、4位相検出手段アレイを使用する代わりに、3相検出手段アレイを用いてもよい。3相設計の場合には、一実施形態では、受光素子回路は、(360°/N)=120°の増加量で意図的に互いに位相シフトさせた3相シフト信号(N=3)となるように構成してもよい。各受光素子は、P’θ=3Pdであってもよい。個々の受光素子は、P’θ=3Pd離れた位置にある受光素子に電気接続(またはその他の方法により接続)されることにより、干渉縞パターン位置または空間位相を表す3相信号を出力する、3つの受光素子セット(A’(0°)、B’(120°)およびC’’(240°))を構成してもよい。3相位置信号を接続および処理する方法の一例としては、その全体を参照することにより本明細書中に引用される米国特許第6,906,315号に記載された3相位置信号がある。3相光学強度信号は、前記米国特許に記載の方法でも処理することができ、それにより、2つの派生直角位相信号値を決定してもよい。この信号がSigと同様に解析され、縞パターン位置または空間位相が決定される。 As described above, instead of using a four-phase detection means array, a three-phase detection means array may be used. In the case of a three-phase design, in one embodiment, the light receiving element circuit is a three-phase shift signal (N = 3) that is intentionally phase-shifted by an increase of (360 ° / N) = 120 °. You may comprise as follows. Each light receiving element may have P ′ θ = 3Pd. Each of the light receiving elements is electrically connected (or connected by another method) to the light receiving element located at a position separated by P ′ θ = 3 Pd, thereby outputting a three-phase signal representing the interference fringe pattern position or the spatial phase. Three light receiving element sets (A ′ (0 °), B ′ (120 °), and C ″ (240 °)) may be configured. An example of a method for connecting and processing a three-phase position signal is the three-phase position signal described in US Pat. No. 6,906,315, which is incorporated herein by reference in its entirety. The three-phase optical intensity signal can also be processed in the manner described in the aforementioned US patent, whereby two derived quadrature signal values may be determined. This signal is analyzed in the same manner as Sig to determine the fringe pattern position or spatial phase.
より一般的には、位相信号の実用的位相数は(N位相信号)は、受光素子アレイにより決定され、適する信号処理および解析とともに使用される。すべての位相信号が、縞強度プロフィール245の単一区間から派生したものでなくてもよい。例えば、わかりやすい例をあげると、受光素子回路は4相シフト信号(N=4)を3*P’θ(M=3)の間隔で構成してもよく、ここで、P’θは角度αの名目値と関連づけられた名目設定値である。このように、この例では、受光素子アレイピッチPd=(3P’θ/4)および空間連続受光素子は、増加量(M*360°/N)=(3*360°/4)=270°で意図的に互いに位相シフトされる。このM/Nの率は、基本信号の空間第2調波として発生する周期的誤差を除去するために用いられる割合群の中でも、代表的なものである。アレイの中の受光素子の幅は必要に応じて調整して、信号を最大としたり、および/または、他の空間調波をフィルタリングして除去してもよい。個々の受光素子は、4Pd離れた位置にある受光素子に電気接続(またはその他の方法により接続)されることにより、4の受光素子セット(A’’(0°)、D’’(270°)、C’’(180°)およびB’’(90°))を構成してもよい。一般に、受光素子アレイが、M*P’q=N*Pd(N>M)の条件を満たし、Q*M*N受光素子が縞パターンを受け取るように構成することは有益である。ここで、M、NおよびQは整数である。(M=1,N=3)、(M=1,N=4)、(M=2,N=3)および(M=3,N=4)のうち、どの組み合わせが最も実用的であるかは、製造上の制約によって異なる。いずれの組み合わせにおいても、干渉縞パターン内の様々な位相位置にある受光素子から発生する複数の信号を解析することにより、光学信号における共通モード誤差を除去し、他の誤差を決定および補正することができる。位相信号を検出するために用いられるすべての受光素子が単一信号ICに位置する場合は、各受光素子回路間の差により生じる誤差を共通モード誤差として除去可能である。
More generally, the practical number of phases of the phase signal (N phase signal) is determined by the light receiving element array and used in conjunction with suitable signal processing and analysis. Not all phase signals may be derived from a single section of the
図4は、ルーチン400の一実施形態を示すフローチャートである。ルーチン400は、合成光線のコヒーレント直交偏光第1光線および第2光線の間の位相差をあらわす値を、本発明の検出手段を用いて決定するための一連の動作である。ブロック410に示すように、合成干渉測定光線において互いに重畳する直交光線、直線偏光光線、参照光線、対象物光線の要素が提供される。例えば、このような合成光線は、現在知られているまたは今後開発される構成の偏光干渉計から出力されてもよい。ブロック420では、偏光感度を有する光線偏光素子が提供される。この光線偏光素子は、直交しかつ偏光感度を有する第1および第2軸、少なくとも1つの偏光板および少なくとも1つの受光素子アレイを備えている。ブロック430では、この第1および第2軸が合成光線の参照光線および対象物光線の偏光とそれぞれ平行になるように、この光線偏光素子が、配向されている。
FIG. 4 is a flowchart illustrating an embodiment of the routine 400. The routine 400 is a series of operations for determining a value representing the phase difference between the coherent orthogonally polarized first and second rays of the combined ray using the detection means of the present invention. As shown in
ブロック440では、合成光線の参照光線要素および対象物光線要素が、偏光感度を有する光線偏光素子に入射される。ブロック450では、参照光線要素および対象物光線要素は、それぞれの光線要素間の発散角度(所定発散角度)で、偏光感度を有する光線偏光素子から出力され、出力された参照光線要素および対象物光線要素が部分的に重畳するように構成される。ブロック460では、部分的に重畳する参照光線要素および対象物光線要素は、参照光線要素および対象物光線要素の偏光間角度を略分割する通過軸を有する偏光板を通過する。偏光板を通過した光は、略平行な干渉縞パターンを形成する。この干渉縞パターンの縞ピッチは一定であり、可変空間位相は参照光線要素および対象物光線要素の間の位相差により決定される。ブロック470では、干渉縞パターンを空間的にフィルタリングし、互いに固定位相シフトされた複数の信号を出力する受光素子を用いて、干渉縞パターンの空間位相の変化が検出される。ここで、当該複数の信号を含む関係は、合成された干渉測定光線の参照光線要素および対象物光線要素の間の位相差を表す。
At
図5に、双波長検出手段の第1例として、双波長検出手段500を示す。このような検出手段は、例えば、2波長のアプソリュート偏光干渉計とともに用いられてもよい。その場合は、同じ光路に沿って干渉計を通過する2つの放射波長λおよびλ’のそれぞれに2つの位相差を決定する必要がある。
FIG. 5 shows a
図5は、検出手段500の模式図である。参照符号590および690,510、520および620、525および625、θ,550および550’、555および555’、REFおよびREF’、αおよびα’を付された素子は、図1Aおよび図1Bにおいて参照記号90、110、120、125、θ、150、155、REF、αを付された素子と類似または同一の構成で設計、構成、操作してもよい。尚、光線590、520、525のそれぞれは、第1放射波長λを使用して得られた、図1Aおよび図1Bの光線90、120、125と同様の光線要素から構成される。しかし、光線690、620、625は第2放射波長λ’を使用して得られた光線要素を複数有する。以下、これらを第1波長要素および第2波長要素とする。第2波長要素620および625はそれぞれ、第1波長要素520および525と同じ偏光を有する。詳しくは後述するが、第2波長要素620および625は、波長感度を有するフィルタ591および595で分離されるまで、第1波長要素520および525と同一線上にある。
FIG. 5 is a schematic diagram of the
図1Aでの説明からわかるように、直交偏光光線520および525と、直交偏光光線620および625の構造は、PSBDE510から射出されるものとして理解される。これらの光線は、偏光角度を有する偏光光線スプリッタ575に入射する。ここで偏光光線スプリッタ575は、図1A中の合成偏光板130として機能することができる。このスプリッタ575の偏光角度は、直交偏光光線520および525間、直交偏光光線620および625間の偏光角度の略半分である。
As can be seen from the description in FIG. 1A, the structures of orthogonally polarized
偏光光線スプリッタ575を通過する第1波長要素520’および525’は、第2波長要素620’および625’と同様に偏光している。
これらが干渉して、互いに重畳する第1波長干渉パターンおよび第2波長干渉パターンが形成される。波長感度を有するフィルタ591により、第2波長放射線が除去されるため、第1波長縞パターンのみが受光素子アレイ555に到達する。ここで受光素子アレイ555には、この全体を覆うように第1干渉縞パターンフィールドが形成されている。受光素子アレイ555は、傾斜をもって構成配置されており、前述の原理のように、第1波長干渉縞の空間位相を決定するために解析される信号を出力する。このように、第1波長参照光線と第1波長対象物光線との間の位相差が決定されてもよい。
The
These interfere to form a first wavelength interference pattern and a second wavelength interference pattern that overlap each other. Since the second wavelength radiation is removed by the
偏光光線スプリッタ575により反射される第1波長要素520’’および525’’は、第2波長要素620’’および625’’と同様に偏光される。
これらが干渉して、互いに重畳される第1および第2波長干渉パターンが形成される。波長感度を有するフィルタ595により、第1波長放射が除去され、第2波長縞パターンのみが受光素子555’に到達する。ここで受光素子アレイ555’には、この全体を覆うように第2干渉縞パターンフィールドが形成されている。受光素子アレイ555’は、傾斜をもって構成配置されており、第2波長干渉縞の空間位相を決定するために解析される信号を出力する。このように、第2波長参照光線と第2波長対象物光線との間の位相差が決定されてもよい。
The
These interfere to form first and second wavelength interference patterns that are superimposed on each other. The filter 595 having wavelength sensitivity removes the first wavelength radiation, and only the second wavelength fringe pattern reaches the
図5に示す検出手段の構成の変形例としては、非偏光光線スプリッタを使用して、光路に沿ってこの非偏光光線スプリッタの前段に合成偏光板を配置してもよく、また、2つの合成偏光板を光路に沿って非偏光光線スプリッタの後段と受光素子アレイの前段に配置してもよい。 As a modified example of the configuration of the detection means shown in FIG. 5, a non-polarizing light splitter may be used, and a synthetic polarizing plate may be disposed in front of the non-polarizing light splitter along the optical path. A polarizing plate may be disposed along the optical path at the rear stage of the non-polarizing light beam splitter and the front stage of the light receiving element array.
図6に、双波長検出手段の第2の例として、双波長検出手段600を示す。図6は検出手段600の模式図である。参照符号590および690、510、520および620、525および625、θ、591’、595’、REFおよびREF’、αおよびα’を付された素子は、図5で同じ符号を付された素子と同様もしくは同一であってもよい。
FIG. 6 shows a
図5の記載に基づいて、直交偏光光線520および525と、直交偏光光線620および625の構造は、PSBDE510から射出されるものとして理解される。これらの光線は、偏光角度を有する合成偏光板630に入射する。この合成偏光板630の偏光角度は、直交偏光光線520および525間、偏光光線620および625間の偏光角度の略半分である。偏光光線スプリッタ575を通過する第1波長要素520’および525’は、第2波長要素620’および625’と同様に偏光している。したがって、これらが干渉して、互いに重畳する第1波長干渉パターンおよび第2波長干渉パターンが形成される。
Based on the description of FIG. 5, the orthogonally polarized
波長感度を有するフィルタ691(破線により模式的に示す)により、第2波長放射線が除去されるため、第1波長縞パターンのみが受光素子655に到達する。受光素子アレイ655は、傾斜をもって構成配置されており、前述の原理のように、第1波長干渉縞の空間位相を決定するために解析される信号を出力する。同様に、波長感度を有するフィルタ695により、第1波長放射が除去されるため、第2波長縞パターンのみが受光素子655’に到達する。受光素子アレイ655’は、傾斜をもって構成配置されており、第2波長干渉の空間位相を決定するために解析される信号を出力する。干渉領域618が受光素子アレイ655および655’全体を覆うように、双波長検出手段600を設計してもよい。設計上の関連事項は、図1を参照して上述したとおりであり、同様のことがここでも該当する。この条件を満たすために、光線および光学要素の断面を必要に応じて、より大きくして構成してもよい。
Since the second wavelength radiation is removed by the
ローションプリズムは、これまで既知の配向の面偏光光線を入力光線の他の偏光要素から分離するために使用されてきた。すなわち、所望の面偏光出力を、近い距離にある他の出力光線から完全に分離させるには、かなり大きな発散角度を設けることが従来は望ましかったといえる。ウォラストンプリズムはこれまで、入力光線の偏光限度を決定するために使用されてきた。偏光限度は、2つの出力光線の強度を比較して決定される。すなわち、一方の出力光線を、近い距離にある他の出力光線から完全に分離させるには、かなり大きな発散角度を設けることが従来は望ましかったといえる。 Lotion prisms have heretofore been used to separate a plane-polarized light beam of known orientation from other polarizing elements of the input light beam. That is, it can be said that it has been desired in the past to provide a considerably large divergence angle in order to completely separate a desired plane polarization output from other output rays at a short distance. Wollaston prisms have been used in the past to determine the polarization limit of input rays. The polarization limit is determined by comparing the intensity of the two output rays. That is, in order to completely separate one output light beam from another output light beam at a close distance, it can be said that it was conventionally desirable to provide a considerably large divergence angle.
しかしながら、本発明による検出手段におけるPSBDEは、従来とはまったく異なる使用をされる。つまり、入力光線は直交偏光されることが知られており、PSBDEの軸は、元の直交偏光を保持するため、直交偏光方向と意図的に並べられるが、それでも、(PSBDEのタイプによって)片方または両方の出力光線を屈折させることが可能である。発散角度がかなり小さいと、従来の用途では非効率的であったり使用不可能であったりしたが、本発明では逆に、望ましいということになる。 However, PSBDE in the detection means according to the present invention is used completely different from the conventional one. That is, the input beam is known to be orthogonally polarized, and the PSBDE axis is deliberately aligned with the orthogonal polarization direction to preserve the original orthogonal polarization, but nevertheless (depending on the type of PSBDE) Or both output rays can be refracted. If the divergence angle is very small, it may be inefficient or unusable in conventional applications, but it is desirable in the present invention.
図6に示すように、他の実施形態として、PSBDE510はローションプリズムであってもよい。この従来とは異なる新しい用途に適しているローションプリズムは、2つの非同軸結晶プリズム510aおよび510bを有し、これらは同じ材料から形成され、傾斜表面511に沿って光学的に接触している。結晶プリズム510aの光軸と結晶プリズム510bの光軸とは直交している。一実施形態では、正常屈折度および異常屈折度の値がかなり近くなることから、非同軸の結晶材料としては、水晶が望ましい。したがって、必要に応じて、その発散角度θを1°より小さくすることができる。
As shown in FIG. 6, as another embodiment, the
図6に図示されるように、干渉計からの光線590は結晶プリズム510aの入射面の法線である。また、結晶プリズム510aの光軸OA1も入射面の法線である。光線590の伝播方向は、光軸OA1と平行であり、結晶プリズム510a内において、P偏光およびS偏光の両方が同じ屈折度n0となる。結晶プリズム510bの光軸OA2は、光軸OA1に直交し、表面511に平行である。「交差角」表面511は光軸OA1に対して角度βを形成し、光軸OA2に平行である。光線590の表面511への入射角度Iは、I=π/2−βとされる。P偏光は、いずれの結晶においても屈折指数n0に沿って配向されているため、角状変位することなく、インターフェース表面511を通過する。このように、正常光線入射角は、偏光板の入射面および射出面に対し法線となるように維持され、光線520を形成する。
As shown in FIG. 6, the light beam 590 from the interferometer is normal to the incident surface of the
S偏光は、第1結晶において正常屈折度n0に沿って配向され、および、第2結晶において異常屈折度neに沿って配向される。そのため、下記の式6により求められる角度Rで、S偏光は屈折される。 S polarized light is oriented along the normal refractive index n 0 in the first crystal, and is oriented along the extraordinary refractive index n e in the second crystal. Therefore, the S-polarized light is refracted at an angle R obtained by the following formula 6.
プリズム510bでのS偏光光線およびP偏光光線の間の発散角度θ’は、次の通りである。
The divergence angle θ ′ between the S-polarized light and the P-polarized light at the
S偏光光線は、第2結晶の射出面に対して屈折される。射出側で屈折された後のP偏光光線520とS偏光光線525との間の角度発散θは、次の通りである。
The S-polarized light beam is refracted with respect to the exit surface of the second crystal. The angle divergence θ between the P-polarized
種々の検出手段アレイピッチと適合する発散角度を提供するローションプリズムは、これらの関係に基づいて設定されてもよい。他のPSBDEの実施形態では、ウォラストンプリズム、セナルモンプリズムなどの他の非同軸結晶プリズムを、同様の原理に基づいて設計および使用してもよい。 Lotion prisms that provide divergence angles that are compatible with different detector array pitches may be set based on these relationships. In other PSBDE embodiments, other non-coaxial crystal prisms such as Wollaston prisms, Senalmon prisms, etc. may be designed and used based on similar principles.
以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、個々の構成および手順において種々の変形が可能であることは、当業者であれば容易に理解しうるところである。よって、本発明の目的を逸脱することない範囲内であれば、前述した実施形態に様々な変更を行うことができ、これらも本発明に含まれるものであるる。 The preferred embodiments of the present invention have been described above. However, it will be readily understood by those skilled in the art that various modifications can be made in individual configurations and procedures. Therefore, various modifications can be made to the above-described embodiment as long as they do not depart from the object of the present invention, and these are also included in the present invention.
本発明は、光学的な干渉を利用して距離や変位量を測定する干渉距離測定のための位相差検出器および位相差検出方法として利用できる。 INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention can be used as a phase difference detector and a phase difference detection method for measuring an interference distance that measures distance and displacement using optical interference.
50 干渉距離測定装置
60 干渉計部
79 対象物光線要素を有する対象物光線
89 参照物光線要素を有する参照光線
90 合成干渉測定光線としての合成光線
100 検出手段
110,510 光線屈折素子としてのPSBDE
127,θ 所定発散角度としての発散角度
130,630 偏光板としての合成偏光板
155,255 受光素子アレイ
500,600 検出手段としての双波長検出手段
520,525 第1波長要素を有する光線
520’,525’,520’’,525’’ 第1波長要素
555,655 第1受光素子アレイとしての受光素子アレイ
555’,655’ 第2受光素子アレイとしての受光素子アレイ
575 偏光光線スプリッタ
590 第1光線セットとしての光線
591,691 第1フィルタとしてのフィルタ
595,695 第2フィルタとしてのフィルタ
620,625 第2波長要素を有する光線
620’,625’,620’’,625’’ 第2波長要素
690 第2光線セットとしての光線
OA1 第1軸としての光軸
OA2 第2軸としての光軸
Pd 受光素子ピッチ
Pθ 縞ピッチとしての空間的周期
Sig.1 第1検出信号としての出力信号1
Sig.2 第2検出信号としての出力信号2
DESCRIPTION OF
127,
Sig. 2
Claims (14)
直交しかつ偏光感度を有する第1軸および第2軸を備えた偏光感度を有する光線屈折素子と、少なくとも1つの偏光板と、少なくとも1つの受光素子アレイとを設置する工程と、
前記光線屈折素子の前記第1軸および第2軸が、前記合成光線における前記参照光線および前記対象物光線のそれぞれの偏光に対し平行となるように、前記偏光感度を有する光線屈折素子を配置する工程と、
前記合成光線の前記参照光線要素と前記対象物光線要素とを、前記偏光感度を有する光線屈折素子に入力する工程と、
前記参照光線要素と前記対象物光線要素とを、前記光線屈折素子から、これらの各要素間の発散角度が略所定発散角度θとなるように出力し、出力された前記参照光線要素と前記対象物光線要素とを部分的に重畳させる工程と、
部分的に重畳する前記参照光線要素と前記対象物光線要素とに、前記参照光線要素および前記対象物要素のそれぞれの偏光の間の角度を略分割する通過軸を有する偏光板を通過させ、前記偏光板を通過した光が、略平行縞を有する干渉縞パターンを形成する工程と、
前記干渉縞パターンを空間的にフィルタリングし、互いに固定位相シフトしたNの信号
(Nは2以上の整数)を出力する受光素子アレイを用いて、前記干渉縞パターンの空間位
相の変化を検出する工程と、を備え、
前記干渉縞パターンは、前記参照光線要素および前記対象物光線要素の波長λと、前記発散角度θとにより決定される一定の縞ピッチPθと、前記参照光線要素および前記対象物光線要素の間の位相差により決定される可変空間位相とを有し、
前記Nの信号の値を含む関係が、前記合成干渉測定光線の前記参照光線要素と前記対象
物光線要素との間の位相差を示すとともに、
前記干渉縞パターンの空間位相の変化を検出する工程には、前記Nの受光素子が前記縞
ピッチのM倍よりわずかに大きくなるように、周期的受光素子アレイを配設する工程が含まれ、前記受光素子が、受光素子ピッチPdで、前記受光素子アレイの面に沿って配設され、
前記周期的受光素子アレイを配設する工程には、前記Nの受光素子が前記干渉縞ピッチのM倍よりわずかに大きくなるように、前記参照光線要素および前記対象物光線要素の光路に略直交する面に前記受光素子を配設する工程が含まれ、前記受光素子が配設される面は、前記発散角度θを二分割する直線を法線とする参照平面に対して、cosα=M*Pθ/N*Pdとなる角度αだけ傾斜されている
ことを特徴とする位相差検出方法。 A phase difference detection method for generating a signal indicating a phase difference between an orthogonal ray element, a linearly polarized ray element, a reference ray element, and an object ray element that are superimposed as a combined interference measurement ray to perform an interference distance measurement. ,
Installing a photorefractive element having polarization sensitivity with a first axis and a second axis orthogonal and having polarization sensitivity, at least one polarizing plate, and at least one light receiving element array;
The light refraction element having the polarization sensitivity is arranged so that the first axis and the second axis of the light refraction element are parallel to the respective polarizations of the reference light and the object light in the combined light. Process,
Inputting the reference beam element and the object beam element of the combined beam to the beam refraction element having the polarization sensitivity;
The reference beam element and the object beam element are output from the beam refracting element so that a divergence angle between these elements becomes a predetermined divergence angle θ, and the output reference beam element and the target are output. Partially overlapping the object ray element;
Passing the polarizing plate having a pass axis that substantially divides the angle between the polarization of each of the reference beam element and the object beam element through the reference beam element and the object beam element partially overlapping, The light passing through the polarizing plate forms an interference fringe pattern having substantially parallel stripes;
A step of spatially filtering the interference fringe pattern and detecting a change in the spatial phase of the interference fringe pattern using a light receiving element array that outputs N signals (N is an integer equal to or greater than 2) shifted in a fixed phase with each other And comprising
The interference fringe pattern has a constant fringe pitch P θ determined by the wavelength λ of the reference ray element and the object ray element and the divergence angle θ, and between the reference ray element and the object ray element. A variable spatial phase determined by the phase difference of
A relationship including the value of the N signal indicates a phase difference between the reference ray element and the object ray element of the synthetic interferometry ray;
The step of detecting a change in the spatial phase of the interference fringe pattern includes a step of arranging a periodic light receiving element array so that the N light receiving elements are slightly larger than M times the fringe pitch. The light receiving elements are disposed along the surface of the light receiving element array at a light receiving element pitch Pd,
In the step of arranging the periodic light receiving element array, the N light receiving elements are substantially orthogonal to the optical paths of the reference light ray element and the object light ray element so that the N light receiving elements are slightly larger than M times the interference fringe pitch. A step of disposing the light receiving element on a surface to be processed, and the surface on which the light receiving element is disposed is cos α = M * with respect to a reference plane whose normal is a straight line dividing the divergence angle θ. A phase difference detection method characterized by being inclined by an angle α that satisfies P θ / N * Pd.
前記光線屈折素子を配置する工程には、ローションプリズム、セナルモンプリズム、ウォラストンプリズム、双誘電体格子のいずれかを設ける工程が含まれている
ことを特徴とする位相差検出方法。 The phase difference detection method according to claim 1,
The step of arranging the light refracting element includes a step of providing any one of a lotion prism, a senalmon prism, a Wollaston prism, or a bi-dielectric grating.
前記所定発散角度は、少なくとも0.5°であり、最大でも4.5°であることを特徴とする位相差検出方法。 In the phase difference detection method according to claim 1 or 2,
The phase difference detection method, wherein the predetermined divergence angle is at least 0.5 ° and at most 4.5 °.
前記Mは1以上の整数であり、前記Mおよび前記Nの組み合わせは(M=1,N=3)、(M=1,N=4)、(M=2,N=3)および(M=3,N=4)のいずれかである
ことを特徴とする位相差検出方法。 In the phase difference detection method according to any one of claims 1 to 3,
M is an integer equal to or greater than 1, and combinations of M and N are (M = 1, N = 3), (M = 1, N = 4), (M = 2, N = 3) and (M = 3, N = 4). A phase difference detection method, wherein:
前記Mおよび前記Nの組み合わせはM=3、N=4であることを特徴とする位相差検出方法。 The phase difference detection method according to claim 4,
The combination of M and N is M = 3 and N = 4.
前記合成干渉測定光線において重畳する前記参照光線要素および前記対象物光線要素が、参照光線要素および対象物光線要素を含み第1波長を有する第1光線要素セットと、参照光線要素および対象物光線要素を含み第2波長を有する第2光線要素セットとを有し、
前記第1光線要素セットおよび第2光線要素セットは、同一の偏光方向を有し、かつ、略同一線上にあり、
前記少なくとも1つの受光素子アレイを設ける工程には、第1受光素子アレイと第2受光素子アレイを設ける工程が含まれ、
前記第1波長を通過させ、前記第2波長を遮断する第1フィルタと、前記第2波長を通過させ、前記第1波長を遮断する第2フィルタとを設ける工程と、
前記第1光線要素セットと前記第2光線要素セットとの両方を、略同一の光路に沿って通過させて、前記第1波長の光を有する第1波長干渉縞パターンと、前記第2波長の光を有する第2波長干渉縞パターンとを形成する工程と、
前記第1受光素子アレイが前記第1波長干渉縞パターンのみを感知するよう、波長感度を有する前記第1フィルタを前記第1受光素子アレイの前方に配置することにより、前記第1波長干渉縞パターンの空間位相の変化を検出し、前記第1波長干渉縞パターンを空間的にフィルタリングし、かつ、互いに固定位相シフトされた少なくとも2つの第1検出信号を出力、する工程と、
前記第2受光素子アレイが前記第2波長干渉縞パターンのみを感知するよう、波長感度を有する前記第2フィルタを前記第2受光素子アレイの前方に配置することにより、前記第2波長干渉縞パターンの空間位相の変化を検出し、前記第2波長干渉縞パターンを空間的にフィルタリングし、かつ、互いに固定位相シフトされた少なくとも2つの第2検出信号を出力、する工程と、を備え、
前記第1検出信号の値を含む関係が、前記第1波長を有する前記参照光線要素と前記対象物光線要素との間の位相差を示し、
少なくとも2つの前記第2検出信号の値を含む関係が、前記第2波長を有する前記参照光線要素と前記対象物光線要素との間の位相差を示す
ことを特徴とする位相差検出方法。 A phase difference detection method according to any one of claims 1 to 5,
A reference ray element and an object ray element, wherein the reference ray element and the object ray element to be superimposed in the combined interferometric ray include a reference ray element and an object ray element and have a first wavelength; and a reference ray element and an object ray element And a second ray element set having a second wavelength,
The first ray element set and the second ray element set have the same polarization direction and are substantially collinear;
The step of providing the at least one light receiving element array includes the step of providing a first light receiving element array and a second light receiving element array,
Providing a first filter that passes the first wavelength and blocks the second wavelength; and a second filter that passes the second wavelength and blocks the first wavelength;
A first wavelength interference fringe pattern having light of the first wavelength passing through both the first light ray element set and the second light ray element set along substantially the same optical path; and Forming a second wavelength interference fringe pattern having light;
By arranging the first filter having wavelength sensitivity in front of the first light receiving element array so that the first light receiving element array senses only the first wavelength interference fringe pattern, the first wavelength interference fringe pattern Detecting a spatial phase change of the first wavelength interference pattern, spatially filtering the first wavelength interference fringe pattern, and outputting at least two first detection signals that are fixed-phase shifted relative to each other;
The second wavelength interference fringe pattern is formed by disposing the second filter having wavelength sensitivity in front of the second light receiving element array so that the second light receiving element array senses only the second wavelength interference fringe pattern. Detecting a spatial phase change of the second wavelength interference fringe pattern, spatially filtering the second wavelength interference fringe pattern, and outputting at least two second detection signals that are fixed phase shifted relative to each other.
A relationship including a value of the first detection signal indicates a phase difference between the reference ray element having the first wavelength and the object ray element;
The relation including at least two values of the second detection signal indicates a phase difference between the reference light beam element having the second wavelength and the object light beam element.
前記少なくとも1つの偏光板を設ける工程には、偏光光線スプリッタを設ける工程が含まれ、
部分的に重畳する前記参照光線要素と前記対象物光線要素とに、前記偏光板を通過させる工程は、光を前記偏光光線スプリッタを通過させて前記第1受光素子アレイの全体を覆うよう第1干渉縞パターンフィールドを形成する工程と、前記偏光光線スプリッタに光を反射させて前記第2受光素子アレイの全体を覆うよう第2干渉縞パターンフィールドを形成する工程を備え、
波長感度を有する前記第1フィルタを前記第1干渉縞パターンフィールドの前記第1受光素子アレイの前方に配設し、
波長感度を有する前記第2フィルタを前記第2干渉縞パターンフィールドの前記第2受光素子アレイの前方に配設する
ことを特徴とする位相差検出方法。 The phase difference detection method according to claim 6,
The step of providing the at least one polarizing plate includes the step of providing a polarizing beam splitter,
The step of passing the polarizing plate through the reference light beam element and the object light beam element that are partially overlapped with each other includes firstly passing light through the polarizing beam splitter and covering the entire first light receiving element array. Forming an interference fringe pattern field; and forming a second interference fringe pattern field to reflect the light to the polarization beam splitter so as to cover the entire second light receiving element array,
The first filter having wavelength sensitivity is disposed in front of the first light receiving element array in the first interference fringe pattern field;
The phase difference detection method, wherein the second filter having wavelength sensitivity is disposed in front of the second light receiving element array in the second interference fringe pattern field.
直交しかつ偏光感度を有する第1軸および第2軸を備え偏光感度を有する光線屈折素子と、
部分的に重畳する参照光線要素と対象物光線用とを前記光線屈折素子から受け取り、通過軸が、前記参照光線要素および前記対象物光線要素の偏光の間の角度を略分割するように配設された少なくとも1つの偏光板と、
干渉縞パターンを受け取り、前記干渉縞パターンを空間的にフィルタリングするとともに、互いに固定位相シフトされたNの信号(Nは2以上の整数)を出力する、少なくとも1つの受光素子アレイとを備え、
前記光線屈折素子は、前記第1軸および前記第2軸が、前記合成光線の参照光線および対象物光線の偏光と平行になるようにそれぞれ配設され、
前記光線屈折素子は、前記合成光線の受け取られた前記参照光線および前記対象物光線を、所定発散角度θである前記光線要素の間の発散角度で、前記参照光線要素および対象物光線要素が部分的に重畳するように出力し、
前記偏光板を通過した光が略平行な干渉の干渉縞パターンを形成し、
前記干渉縞パターンは、一定の縞ピッチPθと、前記参照光線要素および前記対象物光線要素の間の位相差により決定される可変空間位相とを有し、
前記Nの信号の値を含む関係が、前記合成干渉測定光線の前記参照光線要素および前記対象物光線要素の間の位相差を示すとともに、
前記受光素子アレイは、前記Nの受光素子が前記縞ピッチのM倍よりわずかに大きくなるように配設された、周期的受光素子アレイであり、
前記受光素子は、受光素子ピッチPdで、前記受光素子アレイの面に沿って配設され、
前記受光素子が配設される面は、前記参照光線要素および前記対象物光線要素の光路に略直交する面であり、前記発散角度θを二分割する直線を法線とする参照平面に対して、cosα=M*Pθ/N*Pdとなる角度αだけ傾斜されている
ことを特徴とする位相差検出器。 A phase difference detector that generates a signal indicative of a phase difference between an orthogonal ray element, a linearly polarized ray element, a reference ray element, and an object ray element that are superimposed as a composite interferometric ray to perform an interference distance measurement. ,
A photorefractive element having a polarization sensitivity with a first axis and a second axis that are orthogonal and have polarization sensitivity;
A partially overlapping reference beam element and object beam are received from the beam refracting element, and a pass axis is disposed so as to substantially divide the angle between the polarization of the reference beam element and the object beam element. At least one polarizing plate,
Receiving at least one interference fringe pattern, spatially filtering the interference fringe pattern, and outputting N signals (N is an integer of 2 or more) that are fixed-phase shifted from each other, and at least one light receiving element array,
The light refracting element is disposed so that the first axis and the second axis are parallel to the reference light of the composite light and the polarization of the object light, respectively.
The light refracting element is configured such that the reference light beam and the object light beam received by the combined light beam are divergent angles between the light beam elements having a predetermined divergence angle θ, and the reference light beam element and the object light beam element partially Output so as to overlap
The light passing through the polarizing plate forms an interference fringe pattern of substantially parallel interference,
The interference fringe pattern has a constant fringe pitch Pθ and a variable spatial phase determined by a phase difference between the reference ray element and the object ray element,
A relationship including the value of the N signal indicates a phase difference between the reference ray element and the object ray element of the synthetic interferometry ray;
The light receiving element array is a periodic light receiving element array arranged so that the N light receiving elements are slightly larger than M times the fringe pitch,
The light receiving elements are arranged along the surface of the light receiving element array at a light receiving element pitch Pd,
The surface on which the light receiving element is disposed is a surface that is substantially orthogonal to the optical path of the reference light beam element and the object light beam element, and is relative to a reference plane that is a normal line that bisects the divergence angle θ. , Cos α = M * P θ / N * Pd is inclined by an angle α.
前記光線屈折素子は、ローションプリズム、セナルモンプリズム、ウォラストンプリズム、双誘電体格子のいずれかを有することを特徴とする位相差検出器。 The phase difference detector according to claim 8,
The light beam refracting element includes a lotion prism, a senalmon prism, a Wollaston prism, or a bi-dielectric grating.
前記所定発散角度は少なくとも少なくとも0.5°であり、最大でも4.5°であることを特徴とする位相差検出器。 The phase difference detector according to claim 8 or 9,
The predetermined divergence angle is at least 0.5 ° and at most 4.5 °, the phase difference detector.
前記Mは1以上の整数であり、前記Mおよび前記Nの組み合わせは(M=1,N=3)、(M=1,N=4)、(M=2,N=3)および(M=3,N=4)のいずれかである
ことを特徴とする位相差検出器。 The phase difference detector according to any one of claims 8 to 10,
M is an integer equal to or greater than 1, and combinations of M and N are (M = 1, N = 3), (M = 1, N = 4), (M = 2, N = 3) and (M = 3, N = 4). A phase difference detector.
前記Mおよび前記Nの組み合わせはM=3、N=4であることを特徴とする位相差検出器。 The phase difference detector according to claim 11,
The combination of M and N is M = 3 and N = 4.
前記受光素子アレイが、第1受光素子アレイと第2受光素子アレイとを備える位相差検出器において、
前記第1受光素子アレイの前方に配設され、光の第1波長を通過させ、かつ、光の第2波長を遮断する、波長感度を有する第1フィルタと、
前記第2受光素子アレイの前方に配設され、光の第1波長を遮断し、かつ、光の第2波長を通過させる、波長感度を有する第2フィルタとを備え、
参照光線要素および対象物光線要素を含み前記第1波長を有する第1光線要素セットと、参照光線要素および対象物光線要素を含み前記第2波長を有する第2光線要素セットとが、同一の偏光方向を有し、かつ、略同一線上にあるとき、前記第1光線要素セットおよび第2光線要素セットは、略同一の光路に沿って前記偏光板を通過して、前記第1波長を有する光を有する第1波長干渉縞パターンと、前記第2波長を有する光を有する第2波長干渉縞パターンとを形成し、
前記第1フィルタおよび前記第1受光素子アレイの組み合わせが、前記第1波長干渉縞パターンのみを感知し、前記第1波長干渉縞パターンを空間的にフィルタリングし、かつ、互いに固定位相シフトされた少なくとも2つの第1検出信号を出力し、
前記第1検出信号の値を含む関係が、前記第1波長を有する前記参照光線要素と前記対象物光線要素との間の位相差を示し、
前記第2フィルタおよび前記第2受光素子アレイの組み合わせが、前記第2波長干渉縞パターンのみを感知し、前記第2波長干渉縞パターンを空間的にフィルタリングし、かつ、互いに固定位相シフトされた少なくとも2つの第2検出信号を出力し、
前記第2検出信号の値を含む関係が、前記第2波長を有する前記参照光線要素と前記対象物光線要素との間の位相差を示すことを特徴とする位相差検出器。 A phase difference detector according to any one of claims 8 to 12,
In the phase difference detector, wherein the light receiving element array includes a first light receiving element array and a second light receiving element array,
A first filter having wavelength sensitivity, disposed in front of the first light-receiving element array, which transmits a first wavelength of light and blocks a second wavelength of light;
A second filter having wavelength sensitivity, disposed in front of the second light receiving element array, blocking a first wavelength of light and allowing a second wavelength of light to pass through;
A first ray element set including the reference ray element and the object ray element and having the first wavelength, and a second ray element set including the reference ray element and the object ray element and having the second wavelength have the same polarization. The first light ray element set and the second light ray element set pass through the polarizing plate along substantially the same optical path and have the first wavelength when having a direction and being substantially on the same line. Forming a first wavelength interference fringe pattern having a second wavelength interference fringe pattern having light having the second wavelength,
The combination of the first filter and the first light receiving element array senses only the first wavelength interference fringe pattern, spatially filters the first wavelength interference fringe pattern, and is at least fixed phase shifted with respect to each other. Two first detection signals are output,
A relationship including a value of the first detection signal indicates a phase difference between the reference ray element having the first wavelength and the object ray element;
The combination of the second filter and the second light receiving element array senses only the second wavelength interference fringe pattern, spatially filters the second wavelength interference fringe pattern, and is at least fixed phase shifted with respect to each other. Outputs two second detection signals,
The phase difference detector, wherein the relation including the value of the second detection signal indicates a phase difference between the reference light element having the second wavelength and the object light element.
前記偏光板は、前記光線屈折素子からの、部分的に重畳される参照光線要素および対象物光線要素を受け取り、部分的に光を通過させて前記第1受光素子アレイの全体を覆うよう第1干渉縞パターンフィールドを形成し、かつ、部分的に光を反射して前記第2受光素子アレイの全体を覆うよう第2干渉縞パターンフィールドを形成する偏光光線スプリッタを備え、
前記第1フィルタが前記第1干渉縞パターンフィールドの前記第1受光素子アレイの前方に配置され、前記第2フィルタが前記第2干渉縞パターンフィールドの前記第2受光素子アレイの前方に配置されている
ことを特徴とする位相差検出器。 The phase difference detector according to claim 13.
The polarizing plate receives a partially superimposed reference beam element and object beam element from the beam refracting element, and partially passes light to cover the entire first light receiving element array. A polarization beam splitter that forms an interference fringe pattern field and forms a second interference fringe pattern field so as to partially reflect light and cover the entire second light receiving element array;
The first filter is disposed in front of the first light receiving element array in the first interference fringe pattern field, and the second filter is disposed in front of the second light receiving element array in the second interference fringe pattern field. A phase difference detector.
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